Mô hình động học và nghiên cứu hiệu suất của độ cứng không độ cứng chéo

Cơ chế linh hoạt là một khái niệm đột phá trong lĩnh vực cơ học, vì nó sử dụng biến dạng đàn hồi của vật liệu để truyền chuyển động, lực hoặc năng lượng. Cơ chế này đã trở nên phổ biến trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm định vị chính xác, xử lý MEMS và hàng không vũ trụ, do nhiều lợi thế của nó như ma sát bằng không, vận hành liền mạch, bảo trì dễ dàng, độ phân giải cao và khả năng xử lý tích hợp.

Tuy nhiên, các cơ chế cứng nhắc truyền thống vẫn thống trị thị trường do những hạn chế nhất định của cơ chế linh hoạt. Một trong những hạn chế này là độ cứng dương xảy ra theo hướng chức năng trong quá trình hoạt động của cơ chế. Độ cứng dương này đòi hỏi một động lực lớn hơn và các yêu cầu nghiêm ngặt đối với người lái, cuối cùng làm giảm hiệu quả truyền năng lượng. Những thiếu sót này đã cản trở ứng dụng rộng hơn của cơ chế linh hoạt.

Để khắc phục các tác động bất lợi của độ cứng dương, nhiều học giả đã đưa khái niệm về độ cứng bằng không vào cơ chế linh hoạt. Bằng cách khéo léo sử dụng độ cứng âm để bù độ cứng dương, có thể đạt được một cơ chế với độ cứng bằng không. Một hệ thống như vậy, còn được gọi là cơ chế cân bằng tĩnh linh hoạt, có thể đạt được trạng thái cân bằng tĩnh tại bất kỳ điểm nào trong phạm vi chuyển động. Loại cơ chế này cung cấp một số lợi thế, bao gồm hiệu suất truyền lực tuyệt vời, khả năng hoạt động với các động lực nhỏ hơn và hiệu quả truyền năng lượng cao. Do đó, tập trung vào nghiên cứu trong lĩnh vực cơ chế cân bằng tĩnh linh hoạt chủ yếu là trên kẹp vi mô linh hoạt.

Trong số các thành phần khác nhau của các cơ chế linh hoạt, bản lề linh hoạt đã nhận được sự chú ý đáng kể do các đặc điểm đặc biệt của chúng. Việc di chuyển tương đối của các bản lề linh hoạt chéo tổng quát là tương đối ngắn, khiến chúng rất có giá trị cho một loạt các ứng dụng. Do đó, bản lề linh hoạt không có độ bền dựa trên thiết kế này đã trở thành lựa chọn ưa thích để xây dựng các cơ chế cân bằng tĩnh linh hoạt phức tạp, làm cho nghiên cứu của nó rất có ý nghĩa.

Để đạt được các đặc điểm độ cứng bằng không trong bản lề linh hoạt, cần phải bù độ cứng dương tính xoắn với độ cứng âm xoay. Về vấn đề này, một mô hình độ cứng âm xoay đã được phát triển. Mô hình liên quan đến việc sử dụng lò xo lá bao gồm hai cây sậy chồng chéo, một cây có cố định và cái còn lại miễn phí. Khi biến dạng của đầu mở tương đối nhỏ so với chiều dài của sậy, lò xo thể hiện tính tuyến tính tốt và có thể được phân tích dưới dạng lò xo có độ dài bằng không.

Việc phân tích mô hình độ cứng âm xoay xem xét các hình ảnh được hai lò xo trên một điểm cụ thể trong hệ thống. Dựa trên định luật hình tam giác, các hình ảnh có thể được thể hiện về mặt toán học. Bằng cách kết hợp các hình xuyến này, tổng mô -men xoắn có thể được xác định. Phân tích này cho thấy rằng khi góc quay nhỏ hơn 90 độ, các lò xo phát ra một mô -men xoắn theo cùng hướng với góc quay, do đó tạo ra độ cứng âm quay.

Để thiết lập một mô hình bản lề linh hoạt bằng không chính xác, điều quan trọng là phải phân tích các tính chất cơ học của bản lề linh hoạt chéo tổng quát. Phân tích này xem xét các yếu tố khác nhau như ảnh hưởng của lực xuyên tâm và tải xoắn thuần túy đối với độ cứng xoắn của bản lề. Bằng cách hiểu các yếu tố này, độ cứng xoắn không thứ nguyên của bản lề có thể được tính toán. Sau đó, mô hình khái niệm của bản lề linh hoạt không có độ bền bằng không bằng cách thay thế cặp xoay vòng quay và lò xo cân bằng trong mô hình độ cứng âm xoay. Mô hình khái niệm này là đối xứng, cho phép phân tích vòng quay ngược chiều kim đồng hồ của nền tảng di chuyển.

Để xác minh độ chính xác của mô hình lý thuyết, phân tích phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS được thực hiện. Phân tích liên quan đến việc mô phỏng và phân tích các đặc điểm góc xoay thời điểm của bản lề linh hoạt không gian. Kết quả sau đó được so sánh với các tính toán lý thuyết. Mô phỏng được thực hiện trên bản lề với các tham số khác nhau và độ cứng của lò xo cân bằng được điều chỉnh dần cho đến khi độ cứng của bản lề giảm xuống bằng không. Bằng cách so sánh các kết quả mô phỏng và các tính toán lý thuyết, người ta đã xác nhận rằng mô hình lý thuyết đại diện chính xác cho hành vi của bản lề linh hoạt bằng không.

Hơn nữa, tính khả thi của việc sử dụng lò xo lá làm lò xo cân bằng trong bản lề linh hoạt không có độ ngẩn được khám phá. Một mô hình phần tử hữu hạn được thiết lập cho mục đích này và kết quả mô phỏng được so sánh với các mô hình thu được bằng cách sử dụng phần tử Combine14. Kết quả một lần nữa xác nhận độ chính xác và độ tin cậy của mô hình lý thuyết.

Tóm lại, việc sử dụng độ cứng âm xoay để bù độ cứng dương trong bản lề linh hoạt cho phép tạo ra các hệ thống bản lề linh hoạt không ổn định. Các hệ thống này cung cấp nhiều lợi thế, bao gồm giảm mô -men lái, hiệu suất truyền lực được cải thiện và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Hai phương pháp cân bằng khác nhau, cụ thể là lò xo cân bằng kép và lò xo cân bằng đơn, được phân tích và các điều kiện cân bằng tĩnh của chúng được xác định. Các kết quả lý thuyết sau đó được xác minh thông qua phân tích phần tử hữu hạn. Nghiên cứu xác nhận rằng phương pháp lò xo cân bằng kép phù hợp cho các kịch bản trong đó lực xuyên tâm không ảnh hưởng đến độ cứng của bản lề, trong khi mô hình lò xo cân bằng đơn có phạm vi ứng dụng rộng hơn. Tuy nhiên, độ nén không gian trục của mô hình sau này có phần bị tổn thương, đòi hỏi phải xem xét toàn diện trong quá trình thiết kế cấu trúc. Nhìn chung, nghiên cứu về bản lề linh hoạt không có độ bền và các ứng dụng của chúng có tầm quan trọng đáng kể trong việc thúc đẩy lĩnh vực cơ chế linh hoạt.